氧化銅光電陰極 激光實驗揭示了效率損失的位置

理論上，由氧化銅制成的太陽能電池和光電陰極可以獲得太陽能轉(zhuǎn)換的高效率。然而，在實踐中，會發(fā)生大量損失?，F(xiàn)在，研究人員已經(jīng)能夠使用復(fù)雜的飛秒激光實驗來確定這些損失發(fā)生的位置：不是在接口處，而是在晶體材料的內(nèi)部。這些結(jié)果提供了關(guān)于如何改進氧化銅和其他金屬氧化物以用作能量材料的指示。

氧化銅(Cu2O)是未來太陽能轉(zhuǎn)換的非常有前景的候選者：作為光電陰極，氧化銅(半導(dǎo)體)可能能夠利用太陽光電解分解水，從而產(chǎn)生氫氣，這種燃料可以化學(xué)儲存陽光的能量。

氧化銅的帶隙為2電子伏特，與太陽光的能譜非常匹配。理想的是，當用光照射時，理想的氧化銅晶體能夠提供接近1.5伏的電壓。因此，該材料將是用于水分解的光電化學(xué)串聯(lián)電池中最頂部的吸收劑。應(yīng)該可以實現(xiàn)高達18%的太陽能到氫能轉(zhuǎn)換效率。然而，光電壓的實際值遠低于該值，不足以使氧化銅成為用于水分解的串聯(lián)電池中的有效光電陰極。到目前為止，表面附近或邊界層的損失過程主要是由此造成的。

HZB太陽能燃料研究所的一個團隊現(xiàn)在已經(jīng)仔細研究了這些過程。該集團從加州理工學(xué)院(加州理工學(xué)院)的同事處獲得了高質(zhì)量的Cu2O單晶，然后在其上氣相沉積了極薄的透明鉑層。該鉑層用作催化劑并提高水分解效率。他們在HZB的飛秒激光實驗室(1 fs = 10-15s)檢查了這些樣品，了解哪些過程導(dǎo)致電荷載流子的損失，特別是這些損耗是否發(fā)生在單晶內(nèi)部或界面處與鉑金。

綠色激光脈沖最初激發(fā)Cu2O中的電子;僅僅幾分之一秒后，第二個激光脈沖(紫外光)測量了受激電子的能量。然后，該團隊通過這種時間分辨雙光子光子發(fā)射光譜(tr-2PPE)確定了光電壓損失的主要機制。“我們觀察到激發(fā)的電子非?？焖俚厥`在帶隙本身中大量存在的缺陷狀態(tài)，”第一作者Mario Borgwardt報道，他現(xiàn)在繼續(xù)在勞倫斯伯克利實驗室擔任Humboldt研究員。 。該研究的協(xié)調(diào)員Dennis Friedrich解釋說：“這發(fā)生在小于1皮秒的時間范圍內(nèi)(1 ps = 10-12)s)，即非?？?，特別是與電荷載體需要從晶體材料內(nèi)部擴散到表面的時間間隔相比。

“我們在HZB的飛秒激光實驗室擁有非常強大的實驗方法，用于分析半導(dǎo)體中光激發(fā)電子的能量和動力學(xué)。我們能夠證明氧化銅在鉑的界面幾乎不會發(fā)生損耗，而是在水晶本身，“該研究的發(fā)起人和飛秒光譜實驗室負責人Rainer Eichberger說。

HZB太陽能燃料研究所負責人Roel van de Krol強調(diào)說：“這些新的見解是我們對柏林工業(yè)大學(xué)UniSysCat卓越集群的第一次貢獻，我們是合作伙伴。”UniSysCat專注于在非常不同的時間尺度上發(fā)生的催化過程：雖然電荷載體對光的激發(fā)(飛秒到皮秒)反應(yīng)極快，但是(電)催化等化學(xué)過程需要更多時間(毫秒)的許多數(shù)量級。有效的光化學(xué)轉(zhuǎn)化需要兩個過程一起優(yōu)化。目前已在“自然通訊”雜志上發(fā)表的結(jié)果是朝這個方向邁出的重要一步。